基于人機(jī)工程學(xué)的汽車座椅設(shè)計(jì)分析

基于人機(jī)工程學(xué)的汽車座椅摘要：目的研究汽車座椅和人體生理特性，讓乘客在乘坐過程中減少疲勞，提高舒適度和平安性.方法通過對(duì)人體生理特性、汽車座椅的根本尺寸、平安和舒適相關(guān)特性的比照分析和研究，得出汽車座椅設(shè)計(jì)的參考性理論.結(jié)果得到了汽車座椅設(shè)計(jì)在尺寸設(shè)計(jì)、舒適度和平安性方面的根本理論.結(jié)論汽車座椅的尺寸符合人體自然生理狀態(tài)時(shí)，越不容易產(chǎn)生疲勞，舒適度隨之提高；反之，疲勞容易產(chǎn)生，舒適性以及平安性隨之降低。關(guān)鍵詞:汽車座椅；人機(jī)工程學(xué)；舒適度；平安性StudyonthecarseatsbasedonErgonomicsAbstract:thispaperstudiesthecharacteristicsoftheCarseatandHumanPhysiology,Lethepassengersreducefatigue,improvethecomfortandsafetywhensitting.Wecandrawaconclusionofthecareatdesignbasedoncomparativeanalysisandresearchonhumanphysiologicalcharacteristics,carseatbasicsize,safetyandcomfort.Finally,wegetthebasictheoryofthecarseatdesigninsizedesign,comfortandsafetyaspects.Inaword,whenthesizeofthecarseatmatchthebody'snaturalphysiologicalcondition,thefatigueislesseasytoproduce,atthesametime,thecomfortwillbeimproved,conversely,fatigueiseasytoproduce,andcomfortandsafetydecreases.Keywords：carseat；Ergonomics；Comfort；security隨著時(shí)代的開展，人們生活方式逐漸發(fā)生改變。汽車作為現(xiàn)代生活必備的工具之一，也在發(fā)生這飛速的變化。人們?cè)谧非笃嚪奖?，快捷的同時(shí)，汽車的舒適性，平安性也被人們所追求。座椅作為連接人與汽車的橋梁，也起著至關(guān)重要的作用。1人體坐姿生理特性分析1.1坐姿時(shí)脊柱的形態(tài)人處在坐姿狀態(tài)時(shí)，身體主要是靠脊柱、盆骨、腿和腳支撐。脊柱位于人體的背部中央，是人體的主要支撐。人處于不同的坐姿，脊柱的形態(tài)也會(huì)不同，只有座椅的結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)使駕駛員的脊柱形態(tài)接近于正常自然形態(tài)時(shí)，才會(huì)減少腰椎以及腰背部肌肉的負(fù)荷，防止駕駛疲勞的發(fā)生。1.2坐姿體壓分布當(dāng)人在座椅上處于坐姿狀態(tài)時(shí)，靠坐墊和靠背來維持身體的平衡，人的身體重量作用在座墊和靠背上的壓力分布稱作坐姿的體壓分布。坐姿體壓分布包括座墊上的體壓分布和靠背上的體壓分布兩局部。1.3座墊上的體壓分布根據(jù)人體組織的解剖學(xué)特性，坐骨結(jié)節(jié)處是人體最耐受壓力的部位，適合承重，而大腿下靠近外表處因有下肢主動(dòng)脈分布，承當(dāng)過量壓力會(huì)影響血液循環(huán)，故不宜承受重壓。因此，座墊上的壓力分布，應(yīng)根據(jù)臀部不同部位承受不同壓力的原那么來分配，即在坐骨處承受壓力最大，自大腿部位時(shí)承受壓力降至最低，這就是座墊設(shè)計(jì)的壓力分布不均勻原那么。圖1為坐姿時(shí)座墊上的體壓分布。1.4靠背上的體壓分布靠背上的體壓分布也根據(jù)人的腰背部承受壓力的不同呈現(xiàn)不均勻分布，壓力相對(duì)集中在肩胛骨和腰椎兩個(gè)部位。從這兩個(gè)部位，壓力向外應(yīng)逐步降低。α圖1坐姿時(shí)座墊上的體壓分布圖2座椅尺寸設(shè)計(jì)主要參數(shù)Fig.1ThebodypressuredistributiononseatFig.2Themainparametersofseatsizecushionwhensitting座椅尺寸設(shè)計(jì)主要參數(shù)包括：椅面高度、寬度、深度、椅面傾角；靠背的高度、寬度和傾角。座椅尺寸設(shè)計(jì)涉及主要參數(shù)如圖2中所示。椅面高度A：椅面高度定義為椅面前緣至駕駛員踵點(diǎn)的垂直距離。在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮到兩點(diǎn)：椅面過高會(huì)使大腿肌肉過分受壓，椅面過低會(huì)增加背部肌肉負(fù)荷。

椅面寬度B：在汽車內(nèi)部空間允許的條件下，以寬為好，以滿足不同的乘坐人群。椅面深度C：指椅面前緣至靠背前面的水平距離。其尺寸應(yīng)滿足：腰部可以得到靠背的支承；椅面前緣與小腿之間留有適當(dāng)距離，以保證大腿肌肉不受擠壓，腿彎局部不受阻礙。

靠背高度D及寬度：靠背的高度和寬度與坐姿的肩高和肩寬有關(guān)，對(duì)于汽車駕駛座椅靠背的高度應(yīng)采取高靠背，最好加靠枕，以減緩頸椎的疲勞?？勘硟A角α：靠背傾角是指靠背與椅面水平方向的夾角。

椅面傾角β：指椅面與水平之間的夾角。主要考慮到為了防止人體臀部向前滑動(dòng)而是椅面前緣向后傾。此角不易過大，否那么會(huì)增加大腿下平面與座墊前緣的壓力，從而減少雙腳著地的負(fù)荷，阻礙血液循環(huán)，引起身心疲勞。

通過以上座椅尺寸參數(shù)確實(shí)定，可以保證人體脊柱曲線更接近于正常生理脊柱曲線。舒適坐姿的各關(guān)節(jié)的角度應(yīng)該滿足圖3中所示的要求角圖3坐姿的各關(guān)節(jié)的角度Fig.3TheAngleofeachjointwhensitting3人體對(duì)車內(nèi)振動(dòng)、微氣候的反響3.1人體對(duì)振動(dòng)的反響研究說明，人體最敏感的頻率范圍，縱向振動(dòng)為4~8Hz，橫向振動(dòng)為1~2Hz。外界振動(dòng)頻率接近人體器官的振動(dòng)頻率時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共振，振幅迅速增大，此時(shí)會(huì)引起器官劇烈的生理反響。外界振動(dòng)傳入人體的“效率〞與身體在外界系統(tǒng)中的姿勢(shì)有關(guān)，一般來說，坐姿工作時(shí)，由于人腿的減振作用被降低，抵抗振動(dòng)的能力要比站姿工作時(shí)差，此時(shí)脊柱和胃部會(huì)受到振動(dòng)的損傷。因?yàn)榈恼駝?dòng)的影響，駕駛員視覺作業(yè)的效率和操作動(dòng)作的準(zhǔn)確性會(huì)下降。當(dāng)振動(dòng)頻率低于2Hz時(shí)，視網(wǎng)膜上的映像會(huì)因?yàn)檠奂〉恼{(diào)節(jié)補(bǔ)償作用，呈現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定，當(dāng)振動(dòng)頻率大于4Hz時(shí)，視覺穩(wěn)定性將受到嚴(yán)重的影響，當(dāng)振動(dòng)頻率上升為為10~30Hz時(shí)，會(huì)與人的眼內(nèi)器官產(chǎn)生共振，對(duì)視覺的干擾到達(dá)最大。振動(dòng)會(huì)降低人手〔或腳〕的穩(wěn)定性，從而使操縱動(dòng)作的準(zhǔn)確性變差，而且振幅越大，影響越大。另外人體在振動(dòng)環(huán)境中會(huì)加速疲勞的產(chǎn)生。而當(dāng)振動(dòng)環(huán)境中的振動(dòng)特性處于人體神經(jīng)系統(tǒng)的敏感區(qū)域時(shí)，這種刺激會(huì)傳入大腦皮質(zhì)，引起大腦皮質(zhì)細(xì)胞的持續(xù)興奮。當(dāng)刺激到達(dá)一定限度時(shí)，皮質(zhì)細(xì)胞的工作強(qiáng)度將會(huì)減弱，疲勞會(huì)加速產(chǎn)生，工作效率明顯下降。

3.2微氣候座椅材質(zhì)和結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)人體所處的微環(huán)境產(chǎn)生影響。這些因素包括：座椅外表的溫度和濕度。它將影響人體背部、臀部、下體等部位的散熱和皮膚的呼吸功能，當(dāng)其溫濕度特性不適宜時(shí)，將引起人體局部的不快感，從而加速人體疲勞的產(chǎn)生。

4座椅舒適性4.1靜態(tài)舒適性座椅的靜態(tài)舒適性設(shè)計(jì)須考慮的因素很多，可以概括為以下根本原那么：座椅的形式和尺度與其功用有關(guān)；座椅的尺度必須根據(jù)人體測(cè)量學(xué)的數(shù)據(jù)確定；座椅可適當(dāng)調(diào)節(jié)，以滿足坐姿的變換；座椅所使用的材料應(yīng)滿足人體的舒適性；座椅的位置要與其作業(yè)空間相協(xié)調(diào)，便于人員作業(yè)。4.2動(dòng)態(tài)舒適性座椅的動(dòng)態(tài)舒適性主要與其振動(dòng)特性有關(guān)。行駛中車輛的隨機(jī)振動(dòng)和車輛本身的機(jī)械振動(dòng)是引起駕駛疲勞的主要原因。汽車行駛過程中，人員會(huì)受到縱向，橫向及垂直三個(gè)方向上的線振動(dòng)以及角振動(dòng)，其中，以垂直振動(dòng)和繞縱，橫縱標(biāo)軸的角振動(dòng)的影響較大。振動(dòng)通過座椅傳遞到人體的臀部，后背部，從而引起全身性振動(dòng)。因此，在設(shè)計(jì)汽車座椅時(shí)應(yīng)盡量防止人體敏感區(qū)的振動(dòng)。在座椅設(shè)計(jì)可采取的措施為：減小座椅共振頻率，降低對(duì)人體最有影響的高頻區(qū)；降低共振時(shí)的振動(dòng)傳遞效率；降低座椅10Hz附近的振動(dòng)傳遞率，以減輕彈簧以下的共振影響和減少來自座椅靠背的高頻振動(dòng)；把路面—輪胎、減震懸掛、座椅—人三者看作一個(gè)整體大動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，尋求在各種路面下，乘員不易疲勞的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。此外，對(duì)于座椅的動(dòng)態(tài)特性可依照傳入人體的能量最小，使人體在敏感頻率區(qū)域動(dòng)態(tài)響應(yīng)最小等目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化；與汽車的減振系統(tǒng)相匹配，是人員處于更適宜的振動(dòng)環(huán)境，這些都是減輕駕駛疲勞的重要措施。5汽車座椅的平安性汽車座椅的平安性，是指座椅有效預(yù)防事故的發(fā)生，并在事故發(fā)生時(shí)有效減輕乘員所受傷害的能力。根據(jù)座椅在碰撞事故發(fā)生時(shí)和發(fā)生后對(duì)減輕乘員傷害程度的不同作用，可以將座椅的平安性分為主動(dòng)平安性和被動(dòng)平安性兩個(gè)方面。5.1汽車座椅的主動(dòng)平安性座椅的主動(dòng)平安性是指座椅能夠有效地防止事故發(fā)生的能力。駕駛員視野、駕駛員定位以及其它汽車控制系統(tǒng)功能的發(fā)揮，以及這些系統(tǒng)之間的配合也會(huì)不同程度的影響到座椅的主動(dòng)平安性。與此同時(shí)，座椅的舒適性和主動(dòng)平安性有關(guān)，舒適的座椅可以為駕駛員提供一個(gè)良好的工作環(huán)境，使其心情愉快、精力集中，從而有效地預(yù)防交通事故的發(fā)生，提高汽車的主動(dòng)平安性。5.2汽車座椅的被動(dòng)平安性座椅的被動(dòng)平安性是指汽車發(fā)生了交通事故后，能夠?qū)噧?nèi)人員進(jìn)行保護(hù)，防止其發(fā)生傷害或使傷害降到至最低程度的性能。一個(gè)好的汽車座椅要能夠減輕駕駛員及乘員的疲勞來滿足主動(dòng)平安性要求，更要有足夠高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，以便與平安帶和平安氣囊一起對(duì)乘員定位的同時(shí)緩和碰撞的強(qiáng)度，使乘員的損傷到達(dá)最小。在加強(qiáng)座椅結(jié)構(gòu)本身吸能性的同時(shí)，人們開始研究把平安氣囊安裝在座椅靠背側(cè)面，為乘員提供平安保